Frottement statique aux interfaces fractales

International audienceTribological phenomena are governed by combined effects of material properties, topology and surface-chemistry. We study the interplay of multiscale-surface-structures with molecular-scale interactions towards interpreting static frictional interactions at fractal interfaces. By spline-assisted-discretization we analyse asperity interactions in pairs of contacting fractal surface profiles. For elastically deforming asperities, force analysis reveals greater friction at surfaces exhibiting higher fractality, with increasing molecular-scale friction amplifying this trend. Increasing adhesive strength yields higher overall friction at surfaces of lower fractality owing to greater true-contact-area. In systems where adhesive-type interactions play an important role, such as those where cold-welded junctions form, friction is minimised at an intermediate value of surface profile fractality found here to be in the regime 1.3-1.5. Our results have implications for systems exhibiting evolving surface structures.https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.09.016Les phénomènes tribologiques sont régis par les effets combinés des propriétés des matériaux, de la topologie et de la chimie des surfaces. Nous étudions l’interaction des structures de surface multi-échelles avec les interactions à l’échelle moléculaire pour interpréter les interactions frictionnelles statiques aux interfaces fractales. Par discrétisation assistée par spline, nous analysons les interactions d’asperité par paires de profils de surface fractale en contact. Pour les aspérités se déformant élastiquement, l'analyse de la force révèle un frottement plus important sur les surfaces présentant une fractalité plus élevée, le frottement croissant à l'échelle moléculaire amplifiant cette tendance. L'augmentation de la force adhésive engendre un frottement global plus élevé sur les surfaces de fractalité inférieure en raison d'une plus grande surface de contact. Dans les systèmes où les interactions de type adhésif jouent un rôle important, tels que ceux où se forment des jonctions soudées à froid, le frottement est minimisé à une valeur intermédiaire de la fractalité du profil de surface qui se situe autour de 1,3–1,5. Les résultats ont des implications pour les systèmes présentant des structures de surface en évolution.https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.09.01

Les effets du dopage au cuivre sur l'activité photocatalytique sur les plans (101) d'anatase TiO2: une étude théorique

International audienceCopper dopants are varyingly reported to enhance photocatalytic activity at titanium dioxide surfaces through uncertain mechanisms. In order to interpret how copper doping might alter the performance of titanium dioxide photocatalysts in aqueous media we applied density functional theory methods to simulate surface units of doped anatase (101) planes. By including van der Waals interactions, we consider the energetics of adsorbed water at anatase surfaces in pristine and copper doped systems. Simulation results indicate that copper dopant at anatase (101) surfaces is most stable in a 2+ oxidation state and a disperse configuration, suggesting the formation of secondary CuO phases is energetically unfavourable. In agreement with previous reports, water at the studied surface is predicted to exhibit molecular adsorption with this tendency slightly enhanced by copper. Results imply that the enhancement of photoactivity at anatase surfaces through Cu doping is more likely to arise from electronic interactions mediated by charge transfer and inter-bandgap states increasing photoexcitation and extending surface-hole lifetimes rather than through the increased density of adsorbed hydroxyl groups.https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.06.178Il a été rapporté que les dopants au cuivre amélioraient l'activité photocatalytique à la surface du dioxyde de titane par le biais de mécanismes incertains. Afin d’interpréter la façon dont le dopage au cuivre pourrait altérer les performances des photocatalyseurs en dioxyde de titane en milieu aqueux, nous avons appliqué des méthodes de théorie de la densité fonctionnelle pour simuler des unités de surface de plans anatase (101) dopés. En incluant les interactions de van der Waals, nous considérons l’énergétique de l’eau adsorbée aux surfaces anatases dans les systèmes vierges et dopés au cuivre. Les résultats de la simulation indiquent que le dopant au cuivre à la surface de l'anatase (101) est le plus stable dans un état d'oxydation 2+ et dans une configuration dispersée, ce qui suggère que la formation de phases secondaires de CuO est énergétiquement défavorable. En accord avec les rapports précédents, il est prévu que l'eau présente à la surface étudiée présente une adsorption moléculaire avec cette tendance légèrement renforcée par le cuivre. Les résultats impliquent que l'amélioration de la photoactivité sur les surfaces de l'anatase par le dopage au Cu est plus susceptible de résulter d'interactions électroniques induites par le transfert de charge et les états inter-bandes interdites augmentant la photoexcitation et allongeant la durée de vie des trous de surface plutôt que par la densité accrue de groupes hydroxyles adsorbés.https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.06.17

Réglage de la pénétration capillaire dans les milieux poreux: combinaison des effets géométriques et d'évaporation

International audienceCapillary penetration of liquids in porous media is of great importance in many applications and the ability to tune such penetration processes is increasingly sought after. In general, liquid penetration can be retarded or restricted by the evaporation of volatile liquid at the surface of the porous media. Moreover, when capillary penetration occurs in a porous layer with non-uniform cross section, the penetration process can be accelerated or impeded by adjusting the section geometry. In this work, on the basis of Darcy's Law and mass conservation, a theoretical model of capillary penetration combining evaporation effects in two-dimensional homogeneous porous media of varying cross-section is developed and further examined by numerical simulations. The effects of sample geometry and liquid evaporation on capillary penetration are quantitatively analyzed. Results show that the penetration velocity is sensitive to the geometry of the porous layer, and can be tuned by varying the evaporation rate for a given geometry. Under given evaporation conditions, penetration is restricted to a limited region with a predictable boundary. Furthermore, we find that the inhibition of liquid penetration by evaporation can be offset by varying the geometry of the porous layer. In addition, the theoretical model is further extended to model the capillary flow in three-dimensional porous media, and the interplay of geometry and evaporation during the capillary flow process in 3D conditions is also investigated. The results obtained can be used for facilitating the design of porous structures, achieving tunable capillary penetration for practical applications in various fields.La pénétration capillaire de liquides dans des milieux poreux revêt une grande importance dans de nombreuses applications et la capacité de réglage de tels processus de pénétration est de plus en plus recherchée. En général, la pénétration de liquide peut être retardée ou limitée par l'évaporation de liquide volatil à la surface du support poreux. De plus, lorsque la pénétration capillaire se produit dans une couche poreuse de section transversale non uniforme, le processus de pénétration peut être accéléré ou empêché en ajustant la géométrie de la section. Dans ce travail, sur la base de la loi de Darcy et de la conservation de masse, un modèle théorique de pénétration capillaire combinant les effets d'évaporation dans des milieux poreux homogènes à deux dimensions de sections différentes est développé et examiné plus en détail par des simulations numériques. Les effets de la géométrie de l'échantillon et de l'évaporation du liquide sur la pénétration capillaire sont analysés de manière quantitative. Les résultats montrent que la vitesse de pénétration est sensible à la géométrie de la couche poreuse et peut être ajustée en faisant varier le taux d'évaporation pour une géométrie donnée. Dans des conditions d'évaporation données, la pénétration est limitée à une région limitée avec une limite prévisible. En outre, nous trouvons que l'inhibition de la pénétration du liquide par évaporation peut être compensée en faisant varier la géométrie de la couche poreuse. En outre, le modèle théorique est élargi pour modéliser l'écoulement capillaire dans des milieux poreux tridimensionnels, et les interactions entre la géométrie et l'évaporation pendant le processus d'écoulement capillaire dans des conditions 3D sont également étudiées. Les résultats obtenus peuvent être utilisés pour faciliter la conception de structures poreuses, en réalisant une pénétration capillaire ajustable pour des applications pratiques dans divers domaines

Une solution semi-analytique améliorée pour le stress aux encoches arrondies

International audienceIn order to investigate the brittle failure of keyhole notched components, the stress distribution at notch tips is studied numerically and theoretically. A semi-analytical formula is developed for the maximum notch-tip-stress, incorporating crack-tip-blunting, stress-concentration and stress-equilibrium. Stress distributions in notched plates are simulated by the finite-element method, showing improved accuracy of the formula relative to established solutions. Application of the developed equation to components containing U-notches and blunt V-notches, is explored, demonstrating its broad applicability. When combined with stress-based failure criteria, the semi-analytical model can be employed to assess brittle failure in notched components with significance toward fracture in heterogeneous materials.Afin d’étudier la défaillance fragile des composants à encoche en trou de serrure, la répartition des contraintes aux extrémités des entailles est étudiée numériquement et théoriquement. Une formule semi-analytique est élaborée pour la contrainte maximale en pointe, intégrant l’atténuation des fissures, la concentration en contrainte et l’équilibre en contrainte. Les distributions de contraintes dans les plaques à encoches sont simulées par la méthode des éléments finis, ce qui montre une précision améliorée de la formule par rapport aux solutions établies. L’application de l’équation développée aux composants contenant des encoches en U et des encoches en V contondantes est explorée, démontrant ainsi sa large applicabilité. Lorsqu'il est combiné à des critères de rupture fondés sur des contraintes, le modèle semi-analytique peut être utilisé pour évaluer la défaillance fragile de composants entaillés présentant une importance significative pour la rupture dans des matériaux hétérogènes

Two-dimensional modeling of the self-limiting oxidation in silicon and tungsten nanowires

AbstractSelf-limiting oxidation of nanowires has been previously described as a reaction- or diffusion-controlled process. In this letter, the concept of finite reactive region is introduced into a diffusion-controlled model, based upon which a two-dimensional cylindrical kinetics model is developed for the oxidation of silicon nanowires and is extended for tungsten. In the model, diffusivity is affected by the expansive oxidation reaction induced stress. The dependency of the oxidation upon curvature and temperature is modeled. Good agreement between the model predictions and available experimental data is obtained. The developed model serves to quantify the oxidation in two-dimensional nanostructures and is expected to facilitate their fabrication via thermal oxidation techniques

Enhancement of Hydroxyapatite Dissolution through Krypton Ion Irradiation

International audienceHydroxyapatite (HA) synthesized by a wet chemical route was subjected to heavy ion irradiation, using 4 MeV Krypton ions (Kr 17+) with ion fluence ranging from 1×10 13 to 1×10 15 ions/cm 2. Glancing incidence X-ray diffraction (GIXRD) results confirmed the phase purity of irradiated HA with a moderate contraction in lattice parameters, and further indicated irradiation-induced structural disorder, evident by a broadening of diffraction peaks. High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) observations indicated that the applied Kr irradiation induced significant damage in the hydroxyapatite lattice. Specifically, cavities were observed with their diameter and density varying with irradiation fluences while a radiation-induced crystalline-to-amorphous transition with increasing ion dose was identified. Raman and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis further indicated the presence of irradiation-induced defects. Compositional analysis of pristine and irradiated materials following immersion in Tris (pH 7.4, 37℃) buffer showed that dissolution in vitro was enhanced by irradiation, reaching a peak for 0.1dpa. We examined the effects of irradiation on the early stages of the mouse osteoblast-like cells (MC3T3-E) response. A cell counting kit-8 assay (CCK-8 test) was carried out to investigate the cytotoxicity of samples, and viable cells can be observed on the irradiated materials.L'hydroxyapatite (HA) synthétisée par voie chimique a été soumise à une irradiation ionique lourde, en utilisant des ions Krypton 4 MeV (Kr 17+) avec une fluence ionique allant de 1 × 10 13 à 1 × 10 15 ions / cm 2. Incidence du regard X- Les résultats de la diffraction des rayons (GIXRD) ont confirmé la pureté de phase de l'AH irradié avec une contraction modérée des paramètres du réseau et ont en outre indiqué un trouble structurel induit par l'irradiation, évident par un élargissement des pics de diffraction. Des observations en microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) ont indiqué que l'irradiation au Kr appliquée a induit des dommages importants dans le réseau d'hydroxyapatite. Plus précisément, des cavités ont été observées avec leur diamètre et leur densité variant avec les fluences d'irradiation tandis qu'une transition cristalline-amorphe induite par le rayonnement avec une dose ionique croissante a été identifiée. L'analyse par spectroscopie photoélectronique Raman et X (XPS) a en outre indiqué la présence de défauts induits par l'irradiation. L'analyse de la composition des matériaux vierges et irradiés après immersion dans du tampon Tris (pH 7,4, 37 ℃) a montré que la dissolution in vitro était améliorée par irradiation, atteignant un pic de 0,1 dpa. Nous avons examiné les effets de l'irradiation sur les premiers stades de la réponse des cellules de type ostéoblaste de souris (MC3T3-E). Un test de comptage de cellules kit 8 (test CCK-8) a été réalisé pour étudier la cytotoxicité des échantillons, et des cellules viables peuvent être observées sur les matériaux irradiés

Aperçu nanostructural du comportement en dissolution de l'hydroxyapatite dopée au Sr

International audienceIn this study, high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) was employed to characterize the nanostructure of strontium-substituted hydroxyapatite (Sr-HA) and its evolution following in vitro immersion in physiological solutions. HRTEM images showed that the substitution of Sr induced local distortions in the hydroxyapatite (HA) lattice: minor levels of edge dislocations were detected at low doping contents of Sr ions (1 at %); when the Sr content exceeded 10 at%, the density of grain boundaries increased notably and triple junctions were clearly observed. The dissolution of undoped HA was initiated at crystallite surfaces, whereas the dissolution of Sr-HA started around grain boundaries. Acicular nanocrystal reprecipitation was observed on grain surfaces immersed in simulated body fluid (SBF), while not in dilute hydrochloric acid (HCl). These findings suggest appropriate levels of Sr incorporation can introduce imperfections in the crystal structure of apatite and thus enhance its dissolution rate towards enhanced physicochemical performance in biomedical applicationshttps://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.056Dans cette étude, la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) a été utilisée pour caractériser la nanostructure de l'hydroxyapatite substituée au strontium (Sr-HA) et son évolution après immersion in vitro dans des solutions physiologiques. Les images HRTEM ont montré que la substitution des distorsions locales induites par le Sr dans le réseau d'hydroxyapatite (HA): des niveaux mineurs de dislocations de bords ont été détectés à de faibles teneurs en dopage d'ions Sr (1 at%); lorsque la teneur en Sr dépassait 10% at%, la densité des joints de grains augmentait de manière notable et des triple jonctions étaient clairement observées. La dissolution de l'HA non dopée a été initiée au niveau des surfaces de cristallites, alors que la dissolution de Sr-HA a commencé autour des joints de grains. Une reprécipitation aciculaire de nanocristaux a été observée sur des surfaces de grains immergées dans un fluide corporel simulé (SBF), mais non dans de l'acide chlorhydrique dilué (HCl). Ces découvertes suggèrent que des niveaux appropriés d’incorporation de Sr peuvent introduire des imperfections dans la structure cristalline de l’apatite et ainsi augmenter sa vitesse de dissolution afin d’améliorer les performances physicochimiques dans les applications biomédicales.https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.05

High performing additively manufactured bone scaffolds based on copper substituted diopside

The inclusion of small amounts of copper is often reported to enhance the mechanical and biointegrative performance of bioceramics towards tissue engineering applications. In this work, 3D scaffolds were additively manufactured by robocasting of precipitation derived copper doped diopside. Compositions were chosen in which magnesium sites in diopside were substituted by copper up to 3 at.%. Microstructure, mechanical performance, bioactivity, biodegradability, drug release, biocompatibility, in vitro angiogenesis and antibacterial activity were studied. Results indicate that copper is incorporated in the diopside structure and improves materials’ fracture toughness. Scaffolds with > 80% porosity exhibited compressive strengths exceeding that of cancellous bone. All compositions showed bioactivity and drug release functionalities. However, only samples with 0–1 at.% copper substitution showed favorable proliferation of osteogenic sarcoma cells, human umbilical vein endothelial cells and fibroblasts, while larger amounts of copper had cytotoxic behavior. In vitro angiogenesis was significantly enhanced by low levels of copper. Copper-containing materials showed anti-Escherichia coli activity, increasing with copper content. We show that across multiple indicators, copper substituted diopside of the composition CaMg0.99Cu0.01Si2O6, exhibits high performance as a synthetic bone substitute, comparing favorably with known bioceramics. These findings present a pathway for the enhancement of bioactivity and mechanical performance in printable bioceramics

Abnormal grain growth of rutile TiO 2 induced by ZrSiO 4

Abnormalgraingrowth (AGG) was observed in rutile TiO2 formed by the thermal treatment of anatase TiO2 in the presence of zirconium silicate. This morphological behaviour was seen to occur in sintered powder compacts and thin films with solid state zircon dopants and in TiO2 coatings on grains of zircon sand. In order to clarify the mechanism of AGG in this system, various doping methods were employed and the morphological consequences of these doping methods were investigated. It was found that doping by Zr and Si does not give rise to abnormalgraingrowth. The observed phenomena were discussed in terms of morphological and energetic considerations. It is likely that a distinct orientation relationship between rutile TiO2 and ZrSiO4 and possible grain boundary liquid formation play a role in giving rise to the rapid growth of faceted prismatic rutil

Abnormal grain growth of rutile TiO2 induced by ZrSiO4

Abnormal grain growth (AGG) was observed in rutile TiO2 formed by the thermal treatment of anatase TiO2 in the presence of zirconium silicate. This morphological behaviour was seen to occur in sintered powder compacts and thin films with solid state zircon dopants and in TiO2 coatings on grains of zircon sand. In order to clarify the mechanism of AGG in this system, various doping methods were employed and the morphological consequences of these doping methods were investigated. It was found that doping by Zr and Si does not give rise to abnormal grain growth. The observed phenomena were discussed in terms of morphological and energetic considerations. It is likely that a distinct orientation relationship between rutile TiO2 and ZrSiO4 and possible grain boundary liquid formation play a role in giving rise to the rapid growth of faceted prismatic rutile